CN110671156A - 表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面钎焊陶瓷基复合材料的抗水蚀叶片及其制备方法，该抗水蚀叶片由内部叶片金属基体、中间钎焊层与最外层具有高硬度抗磨损的陶瓷基复合材料抗水蚀层组成；为提高陶瓷基复合材料的可焊接性，利用待焊表面覆盖有厚度为0.1mm～0.5mm金属层的陶瓷基复合材料和含有少量可与陶瓷基复合材料发生互渗透的过渡金属成分的钎料进行钎焊，有效改善了陶瓷基复合材料的焊接性能，同时实现了钎料中的少量成分与陶瓷基复合材料发生原位反应，形成强结合界面，从而提高了叶片基体与陶瓷基复合材料的结合性能；本发明可用于大型核电汽轮机、火电汽轮机及抗水蚀叶片制备，有效提高叶片抗水蚀性能，延长部件的服役性能和使用寿命。

Description

表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片及其制备方法
技术领域
本发明涉及抗水蚀涂层技术领域，特别涉及一种表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片及其制备方法。
背景技术
水蚀现象在核电机组、火电机组汽轮机末级叶片中普遍存在，水蚀导致汽轮机末级叶片产生锯齿状毛刺，造成应力集中，并且减小叶型根部截面的面积，改变叶片的振动特性，极大地损害了叶片的强度，使叶栅的气动性能恶化。汽轮机末级叶片的水蚀不仅使汽轮机级效率下降，严重者会引起叶片的断裂，导致机组设备损坏的严重事故。
国内外对汽轮机末级叶片水蚀问题的认识和研究由来已久，对水蚀问题的防护与修复研究一直都在进行中，所涉及的领域主要有水蚀理论、防水蚀防护措施、汽轮机低压缸的结构型式设计、热力系统设计及末级叶片的选用材料、结构、振动性能等各个方面。目前常用的汽轮机叶片防护与修复工艺包括焊接硬质合金、激光熔覆抗水蚀涂层、电镀硬铬、等离子喷涂、电火花强化、喷丸强化等方法，但均难以达到较好的防水蚀效果。陶瓷基复合材料(ceramic matrix composite，简称CMCs)具有耐磨抗蚀、高强度、高刚度、低密度等优良性能，并且可以具有类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、没有灾难性损毁等优点，在抗水蚀领域有着广阔的应用前景。然而，发展陶瓷基复合材料叶片不仅成本高，且难度大，而将陶瓷基复合材料直接连接到金属叶片表面，实现对叶片基体的保护是更加切实可行且行之有效的方法。
陶瓷基复合材料与金属连接常用方法有：①借助粘结剂将CMCs与金属材料连接在一起，但其粘结强度较低，不能满足汽轮机叶片高速运转的需求；②利用机械紧固件对CMCs与金属材料进行机械连接，但是这样会增加叶片整体的质量，另外其对连接件的形状及可加工性有较高的要求，而这恰恰是CMCs很难达到的一点，并且对叶片造成机械损伤；③利用焊接技术将CMCs与金属材料进行连接，使CMCs与金属材料的待焊界面发生反应和扩散等物理或化学作用而完成结合，连接强度高，适用于叶片高速运转的要求。然而，CMCs在其焊接的过程中存在很大的难度：(1)不宜使用熔焊进行焊接，因为陶瓷材料熔点高，且部分陶瓷材料在高温容易分解(如Si3N4陶瓷在熔化前将升华或分解)；(2)陶瓷材料流塑性差且脆性大，因此不宜使用压焊的方式进行焊接；(3)由于大多数陶瓷材料不导电，故不能使用电弧焊和电阻焊进行焊接；(4)对于钎焊而言，由于陶瓷材料的化学惰性使钎料在母材表面的润湿程度较低，从而给钎焊也增加一定的困难；(5)CMCs中增强体通常为纤维或晶须，这些增强体在高温条件下可能导致性能下降，这就给焊接温度增加了苛刻的限制条件。考虑CMCs的特性，在焊接方法的选择上，应更多地考虑CMCs的适应性。
公开号为CN107457499A的中国发明专利公开了一种用于碳化硅陶瓷及其复合材料的高温钎料制备方法，采用熔炼技术制备了一种钛硅合金高温钎料，以解决CMCs钎焊结构件使用温度低的问题，并同时公开了一种适用于此钎料特性的钎焊工艺。公开号为CN106493443A的中国发明专利公开了一种复合中间层钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属的方法，采用无压浸渗法使液态AgCuTi钎料填充多孔陶瓷制备陶瓷-金属双相连续中间层，然后将AgCuTi箔/陶瓷-金属双相连续中间层/Ti箔/AgCuTi箔叠放在一起钎焊陶瓷或陶瓷基复合材料与金属，此发明专利利用复合材料测到金属材料侧的梯度过渡层降低接头的残余应力。现有技术给出的上述方案，虽实现了陶瓷基复合材料与金属材料钎焊的有效连接，取得了一定的技术效果，但未获得普遍应用，仍有其技术的局限性：①需要专用钎料及与之对应的钎焊方法，不具有普适性；②目前陶瓷基复合材料与金属材料钎焊的主要目标是针对高温用碳化硅及其复合材料钎焊结构件，对于汽轮机叶片方面的应用并未涉及。
发明内容
针对核电机组、火电机组汽轮机叶片抗水蚀的关键难题，本发明的目的在于提供一种表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片及其制备方法，针对陶瓷基复合材料与金属钎焊强度低的难题，使用表面覆盖有金属层的陶瓷基复合材料，提高钎焊陶瓷基复合材料与金属的结合强度，从而利用陶瓷基复合材料的高耐磨抗蚀性能，提高汽轮机叶片抵抗水蚀侵害的能力，大幅度提高汽轮机叶片服役性能、延长服役寿命。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片，该抗水蚀叶片由三部分组成，由内及外分别为内部的叶片金属基体1、中间的钎焊层2与最外层具有高硬度抗磨损的陶瓷基复合材料抗水蚀层3，所述钎焊层2的厚度为10μm～600μm，陶瓷基复合材料抗水蚀层3的厚度0.5mm～2mm；陶瓷基复合材料抗水蚀层3的钎焊面具有金属层或者双面具有金属层。
进一步的，钎焊层2的材料中含有过渡金属Ti、Zr、Hf、Nb、Ta中的一种或两种，过渡金属成分总含量小于30％。
进一步的，陶瓷基复合材料抗水蚀层3的陶瓷基复合材料为碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。
进一步的，陶瓷基复合材料抗水蚀层(3)的钎焊面为具有金属层的一面，金属层厚度为0.1mm～0.5mm。
所述的表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片的制备方法，包含以下步骤：
(1)利用切片机将陶瓷基复合材料切割成符合焊接要求形状的待焊接材料，将叶片金属基体1的待焊接表面、陶瓷基复合材料与钎焊料进行预处理；
(2)利用溶液将钎焊料混合成悬浮液，均匀涂覆在叶片金属基体的待焊接表面，再将覆盖有金属层的陶瓷基复合材料置于钎焊料层之上，组成待焊接件，其中钎焊料层厚度为0.1mm～0.8mm；
(3)将待焊接件置于真空加热炉中，在待焊接件上施加压力固定待焊接件，在真空环境下升温至500℃～650℃后保温，然后降温冷却至室温，则在叶片金属基体1上依次形成钎焊层2和陶瓷基复合材料抗水蚀层3，得到表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片。
进一步的，步骤(1)中，钎焊料预处理包括利用超声清洗钎焊料5min～15min，在温度为80℃～120℃下干燥，干燥时间为0.5h～2h；叶片金属基体的待焊接表面预处理包括表面污染物去除、砂纸打磨、清洗与干燥，陶瓷基复合材料表面预处理包括清洗与干燥。
进一步的，步骤(2)中，所用溶液可以为乙醇和/或乙二醇和/或丙三醇，悬浮液中钎焊料的质量浓度为80％～90％。
进一步的，步骤(3)中，所述待焊接件上施加用于固定待焊接件的压力为0.001MPa～0.1MPa。
进一步的，步骤(3)中，所述真空加热炉的真空度为10-3Pa～10-2Pa。
进一步的，步骤(3)中，所述升温速度为5℃/min～10℃/min，保温时间为5min～30min。
进一步的，步骤(3)中，所述降温方式为随炉冷却至室温。
本发明的表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片，采用表面具有金属层的陶瓷基复合材料，以提高陶瓷基复合材料与金属叶片基体的结合强度，从而利用陶瓷基复合材料优异的高耐磨抗蚀性能，大幅度提高汽轮机叶片抗水蚀性能、延长服役寿命。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明基于提高汽轮机叶片抗水蚀性能的迫切需求，利用陶瓷基复合材料的高耐磨抗蚀性能，提高汽轮机叶片抵抗水蚀侵害的能力。同司太立合金等金属材料相比，陶瓷基复合材料具有高强度、抗腐蚀、耐磨损等一系列优越性能，本发明将陶瓷基复合材料钎焊于汽轮机叶片表面，可以有效提高汽轮机叶片抵抗水蚀侵害的能力。
(2)针对陶瓷基复合材料与金属材料钎焊时的低结合强度的突出难题，本发明利用表面覆盖有金属层的陶瓷基复合材料，同时利用含有少量可与陶瓷基复合材料发生互渗透的过渡金属成分的钎料，在钎焊过程中，钎料中的这些少量成分与陶瓷基复合材料发生原位反应，形成强结合界面，从而提高叶片基体与陶瓷基复合材料的结合强度。
附图说明
图1为本发明表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片结构示意图。
具体实施方式
以下是发明人给出的具体实施例，需要说明的是，这些实施例是本发明较优的例子，用于本领域的技术人员理解本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
如图1所示，本发明一种表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片，该抗水蚀叶片由三部分组成，由内及外分别为内部的叶片金属基体1、中间的钎焊层2与最外层具有高硬度抗磨损的陶瓷基复合材料抗水蚀层3，所述钎焊层2的厚度为10μm～600μm，陶瓷基复合材料抗水蚀层3的厚度0.5mm～2mm；陶瓷基复合材料抗水蚀层3的钎焊面具有金属层或者双面具有金属层。
本发明所述的表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片的制备方法，包含以下步骤：
(1)利用切片机将陶瓷基复合材料切割成符合焊接要求形状的待焊接材料，将叶片金属基体1的待焊接表面、陶瓷基复合材料与钎焊料进行预处理；
(2)利用溶液将钎焊料混合成悬浮液，均匀涂覆在叶片金属基体的待焊接表面，再将覆盖有金属层的陶瓷基复合材料置于钎焊料层之上，组成待焊接件，其中钎焊料层厚度为0.1mm～0.8mm；
(3)将待焊接件置于真空加热炉中，在待焊接件上施加压力固定待焊接件，在真空环境下升温至500℃～650℃后保温，然后降温冷却至室温，则在叶片金属基体1上依次形成钎焊层2和陶瓷基复合材料抗水蚀层3，得到表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片。
实施例1
1、用精密切割机将表面金属层厚度为0.3mm、厚度为1mm的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料切成合适尺寸的待焊接材料，用金刚石悬浮液对待焊材料的待焊接表面进行抛光，对待焊接表面进行超声清洗，吹干。将钎焊料在超声中清洗10min，在温度为100℃下干燥，干燥时间1h；含有24Ti％的复合钎焊料加入乙醇和乙二醇，形成钎焊料质量分数为85％的悬浮液。
2、将预处理的待焊材料以及钎料悬浮液按照待焊接表面/钎料焊悬浮液/待焊接材料的顺序进行装配，再将装配完成的各部件放入真空炉中。
3、真空炉以8℃/min的速度升温至600℃，保温20min。最终得到所述表面钎焊陶瓷基复合材料的抗水蚀叶片。
实施例2
1、用精密切割机将表面金属层厚度为0.1mm、厚度为0.5mm的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料切成合适尺寸的待焊接材料，用金刚石悬浮液对待焊材料的待焊接表面进行抛光，对待焊接表面进行超声清洗，吹干。将钎焊料在超声中清洗5min，在温度为120℃下干燥，干燥时间0.5h；含有23Ti％的复合钎料加入丙三醇，形成钎焊料质量分数为80％的悬浮液。
2、将预处理的待焊材料以及钎料悬浮液按照待焊接表面/钎焊料悬浮液/待焊接材料的顺序进行装配，再将装配完成的各部件放入真空炉中。
3、真空炉以5℃/min的速度升温至500℃，保温30min。最终得到所述表面钎焊陶瓷基复合材料的抗水蚀叶片。
实施例3
1、用精密切割机将表面金属层厚度为0.5mm、厚度为2mm的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料切成合适尺寸的待焊接材料，用金刚石悬浮液对待焊材料的待焊接表面进行抛光，对待焊接表面进行超声清洗，吹干。将钎焊料在超声中清洗15min，在温度为80℃下干燥，干燥时间2h；，含有29Ti％的复合钎料加入乙醇，形成钎焊料质量分数为90％的悬浮液。
2、将预处理的待焊材料以及钎料悬浮液按照待焊接表面/钎焊料悬浮液/待焊接材料的顺序进行装配，再将装配完成的各部件放入真空炉中。
3、真空炉以10℃/min的速度升温至650℃，保温5min。最终得到所述表面钎焊陶瓷基复合材料的抗水蚀叶片。
实施例4
1、用精密切割机将表面金属层厚度为0.3mm、厚度为1mm的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料切成合适尺寸的待焊接材料，用金刚石悬浮液对待焊接材料的待焊接表面进行抛光，对待焊接表面进行超声清洗，吹干。将钎焊料在超声中清洗10min，在温度为100℃下干燥，干燥时间1h；，含有22Ti％的复合钎料加入乙二醇和丙三醇，形成钎焊料质量分数为80％的悬浮液。
2、将预处理的待焊材料以及钎料悬浮液按照待焊接表面/钎焊料悬浮液/待焊接材料的顺序进行装配，再将装配完成的各部件放入真空炉中。
3、真空炉以7℃/min的速度升温至600℃，保温15min。最终得到所述表面钎焊陶瓷基复合材料的抗水蚀叶片。
实施例5
1、用精密切割机将表面金属层厚度为0.2mm、厚度为1.5mm的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料切成合适尺寸的待焊接材料，用金刚石悬浮液对待焊接材料的待焊接面进行抛光，对待焊接表面进行超声清洗，吹干。将钎焊料在超声中清洗10min，在温度为90℃下干燥，干燥时间1.5h；，含有28Ti％的复合钎料加入乙醇和丙三醇，形成钎焊料质量分数为85％的悬浮液。
2、将预处理的待焊材料以及钎料悬浮液按照待焊接表面/钎焊料悬浮液/待接焊材料的顺序进行装配，再将装配完成的各部件放入真空炉中。
3、真空炉以8℃/min的速度升温至550℃，保温15min。最终得到所述表面钎焊陶瓷基复合材料的抗水蚀叶片。
实施例6
1、用精密切割机将表面金属层厚度为0.3mm、厚度为1.5mm的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料切成合适尺寸的待焊接材料，用金刚石悬浮液对待焊接材料的待焊接表面进行抛光，对待焊接表面进行超声清洗，吹干。将钎焊料在超声中清洗8min，在温度为100℃下干燥，干燥时间1.2h；，含有26Ti％的复合钎料加入乙二醇或丙三醇，形成钎焊料质量分数为85％的悬浮液。
2、将预处理的待焊材料以及钎料悬浮液按照待焊接表面/钎焊料悬浮液/待焊接材料的顺序进行装配，再将装配完成的各部件放入真空炉中。
3、真空炉以8℃/min的速度升温至600℃，保温25min。最终得到所述表面钎焊陶瓷基复合材料的抗水蚀叶片。
实施例7
1、用精密切割机将表面金属层厚度为0.2mm、厚度为1mm的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料切成合适尺寸的待焊接材料，用金刚石悬浮液对待焊接材料的待焊接面进行抛光，对待焊接表面进行超声清洗，吹干。将钎焊料在超声中清洗7min，在温度为85℃下干燥，干燥时间0.8h，含有28Ti％的复合钎料加入乙醇和丙三醇，形成钎焊料质量分数为90％的悬浮液。
2、将预处理的待焊材料以及钎料悬浮液按照待焊接表面/钎焊料悬浮液/待焊接材料的顺序进行装配，再将装配完成的各部件放入真空炉中。
3、真空炉以10℃/min的速度升温至650℃，保温20min。最终得到所述表面钎焊陶瓷基复合材料的抗水蚀叶片。

Claims (10)

1.一种表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片，其特征在于：该抗水蚀叶片由三部分组成，由内及外分别为内部的叶片金属基体(1)、中间的钎焊层(2)与最外层具有高硬度抗磨损的陶瓷基复合材料抗水蚀层(3)，所述钎焊层(2)的厚度为10μm～600μm，陶瓷基复合材料抗水蚀层(3)的厚度为0.5mm～2mm；所述陶瓷基复合材料抗水蚀层(3)的钎焊面具有金属层或者双面具有金属层。
2.根据权利要求1所述一种表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片，其特征在于：所述钎焊层(2)的材料中含有过渡金属Ti、Zr、Nb、Ta中的一种或两种，过渡金属成分总含量小于30％。
3.根据权利要求1所述一种表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片，其特征在于：所述陶瓷基复合材料抗水蚀层(3)的陶瓷基复合材料为碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。
4.根据权利要求1所述一种表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片，其特征在于：所述陶瓷基复合材料抗水蚀层(3)的钎焊面为具有金属层的一面，金属层厚度为0.1mm～0.5mm。
5.权利要求1至4任一项所述的表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
(1)利用切片机将陶瓷基复合材料切割成符合焊接要求形状的待焊接材料，将叶片金属基体(1)的待焊接表面、陶瓷基复合材料与钎焊料进行预处理；
(2)利用溶液将钎焊料混合成悬浮液，均匀涂覆在叶片金属基体(1)的待焊接表面，再将覆盖有金属层的陶瓷基复合材料置于钎焊料层之上，组成待焊接件，其中钎焊料层厚度为0.1mm～0.8mm；
(3)将待焊接件置于真空加热炉中，在待焊接件上施加压力固定待焊接件，在真空环境下升温至500℃～650℃后保温，然后降温冷却至室温，则在叶片金属基体(1)上依次形成钎焊层(2)和陶瓷基复合材料抗水蚀层(3)，得到表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片。
6.根据权利要求5所述表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，钎焊料预处理包括利用超声清洗钎焊料5min～15min，在温度为80℃～120℃下干燥，干燥时间为0.5h～2h；叶片金属基体(1)的待焊接表面预处理包括表面污染物去除、砂纸打磨、清洗与干燥，陶瓷基复合材料表面预处理包括清洗与干燥。
7.根据权利要求5所述一种表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所用溶液为乙醇和/或乙二醇和/或丙三醇，悬浮液中钎焊料的质量浓度为80％～90％。
8.根据权利要求5所述一种表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述待焊接件上施加用于固定待焊接件的压力为0.001MPa～0.1MPa。
9.根据权利要求5所述一种表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述真空加热炉的真空度为10-3Pa～10-2Pa。
10.根据权利要求5所述一种表面具有陶瓷基复合材料防护层的抗水蚀叶片的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述升温速度为5℃/min～10℃/min，保温时间为5min～30min；所述降温方式为随炉冷却至室温。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113530606A (zh) * 2021-07-12 2021-10-22 西安热工研究院有限公司 一种汽轮机叶片水蚀治理方法

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